Основы построения систем оптимального автоматического управления проветриванием подземных рудников

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы построения систем оптимального автоматического управления проветриванием подземных рудников

Ю.В. Круглов

Эффективное решение задач вентиляции современных подземных горнодобывающих предприятий немыслимо без широкого использования средств промышленной автоматизации, вычислительной техники и методов математического имитационного моделирования аэрогазодинамических процессов, происходящих в подземных рудниках. Увеличение объемов добычи руды и вызванное им увеличение потребности рабочих зон в свежем воздухе, разрастание вентиляционных сетей и использование систем управляемой рециркуляции, повышение требований к сбалансированному распределению воздушных масс между сегментами вентиляционных сетей и другие факторы делают управление воздушными потоками в вентиляционных сетях крупных рудников исключительно сложной задачей, эффективное и экономически целесообразное решение которой в рамках жестких требований к безопасности ведения горных работ представляется трудноосуществимым без использования средств автоматического управления.

Современный уровень развития горного производства предъявляет более высокие требования к системам управления вентиляцией рудников. Главнейшими требованиями являются:

1) обеспечение безопасности ведения горных работ;

2) экономическая эффективность;

3) отказоустойчивость и надежность.

Обеспечение безопасности ведения горных работ включает в себя быструю реакцию системы управления на изменение параметров проветривания (концентрация токсичных и горючих газов, снижение количества свежего воздуха на участках вентиляционной сети и пр.) и автоматический перевод ее в режим, позволяющий привести параметры системы вентиляции в допустимые рамки.

Экономическая эффективность системы обеспечивает работу вентиляционных устройств (вентиляторные установки, регуляторы расходов воздуха и пр.) в режиме, позволяющем свести энергетические затраты на проветривание рудника к минимально возможным значениям.

Отказоустойчивость и надежность автоматической системы проветривания обеспечивает непрерывное, логически последовательное и удовлетворяющее предыдущим требованиям проветривание рудника как в случае выхода из строя отдельных компонентов системы, так и в аварийных ситуациях (например, при подземных пожарах).

Поскольку вентиляционные сети рудников являются к каждом случае индивидуальными, разработка конкретной оптимальной системы автоматического управления проветриванием требует решения комплекса задач, связанных с оптимальным выбором мест установки и типов регуляторов расходов воздуха, выбором способа регулирования производительности вентиляторных установок, определением динамических характеристик вентиляционной сети рудника, расчетом параметров рециркуляционных установок, оценкой экономической эффективности и целесообразности внедрения системы, расчетом ее надежностных характеристик, моделированием поведения системы в аварийный ситуациях и множеством других вопросов.

Все вышеперечисленные обстоятельства указывают на необходимость разработки совокупности математических алгоритмов, программных средств и практических методов построения оптимальных систем автоматического управления проветриванием подземных рудников, позволяющих эффективно и в полном объеме решать поставленные выше задачи управления вентиляцией рудников.

Технические (аппаратные) средства системы автоматического оптимального управления проветриванием (САОУП) можно разделить на следующие группы:

1) средства автоматического отрицательного регулирования (САОР);

2) подсистемы автоматического рециркуляционного проветривания;

3) система автоматического регулирования (САР) аэродинамических параметров работы вентилятора главного проветривания (ВГП);

4) датчики контроля параметров газовоздушной среды рудника и работы аппаратных средств САОУП;

5) управляющие контроллеры, работающие под управлением специализированного программного обеспечения.

Программные средства САОУП подразделяются на:

1) локальное программное обеспечение контроллеров САОР, систем рециркуляционного проветривания, ВГП, датчиков;

2) программное обеспечение, работающее под управлением алгоритма оптимального управления.

Алгоритм оптимального управления для САОУП является основным алгоритмом верхнего уровня, определяющим логику и численные параметры работы устройств САОР, рециркуляционных систем, САР ВГП.

Входными данными алгоритма оптимального управления являются:

1) данные о скоростях воздушного потока, поступающих с измерителей скорости воздушного потока;

2) данные о концентрациях метана в рециркуляционных сбойках;

3) данные о параметрах работы аппаратных средств САОУП (САОР, систем рециркуляции, ВГП).

Выходными данными алгоритма оптимального управления являются:

1) угол установки лопаток и частота вращения рабочего колеса ВГП;

2) частоты вращения рабочих колес вентиляторов автоматических рециркуляционных систем;

3) углы установки жалюзийных регуляторов САОР.

Математически задача оптимального управления проветриванием формулируется следующим образом. Пусть имеется математическая модель вентиляционной сети рудника:

(1),

проветривание подземный рудник автоматический

здесь - граф сети, - кортеж узлов, - кортеж ветвей, - вектор аэродинамических сопротивлений ветвей, - вектор напорных характеристик источников тяги сети; - ветвь , начинающаяся в узле и заканчивающаяся в узле ; - аэродинамическое сопротивление ветви в момент времени ; - напорная характеристика источника тяги, установленного в ветви ; - число ветвей, - число узлов сети.

Аэродинамические сопротивления ветвей сети представляют собой сумму сопротивлений самих ветвей и сопротивлений САОР, находящихся в определенном положении (степень открытия):

, (2)

где -- сопротивление ветви в момент времени , -- сопротивление регулятора, установленного в ветви в момент времени , причем , где -- угол установки жалюзийных регуляторов САОР. САОР имеют предельные минимальное и максимальное значения сопротивлений:

. (3)

Так же как и САОР, вентиляторные установки изменяют свои напорные характеристики во времени. В общем виде напорная характеристика вентиляторной установки -- как главной, так и рециркуляционной -- является функцией частоты вращения рабочего колеса и угла установки лопаток рабочего колеса . Учитывая, что и , можно записать:

. (4)

Пусть ветвь с ВГП имеет номер . Максимальную и минимальную скорости вращения рабочего колеса вентилятора (об/мин) обозначим через _.

Пусть имеется вектор минимальных ограничений на расходы воздуха в ветвях

. (5)

Роль данных ограничений на практике играют расчетные (требуемые) количества воздуха в ветвях сети. В процессе решения задачи выполняются условия на значения переменных -- расходов воздуха в ветвях:

. (6)

Оптимизация с учетом (1) -- (6) должна производиться по критерию минимизации мощности, потребляемой вентиляторами, установленными в сети:

, (7)

где -- целевой функционал, определяющий потребление мощности на валу вентиляторов рециркуляционных систем и ВГП, -- число рециркуляционных систем в руднике.

Задачу оптимального управления воздухораспределением (1) -- (7) можно сформулировать следующим образом. Необходимо определить частоту вращения рабочего колеса вентилятора ГВУ (об/мин) и регулируемых жалюзи САОР , при которых мощность на валу вентиляторов, затрачиваемая на проветривание рудника, будет минимальной; при этом расходы воздуха в ветвях должны либо соответствовать расчетным, либо превышать их, т. е. должны соблюдаться условия (6).

Задача оптимального управления (1) -- (6) относится к классу задач оптимального управления с нелинейными ограничениями. Задача решена в программном комплексе «АэроСеть», предназначенном, в частности, для имитационного моделирования систем автоматического управления проветриванием шахт. Алгоритм оптимального управления воздухораспределением, реализованный в «АэроСети» обеспечивает минимизацию целевого функционала (7) путем расчета оптимальных вектора положений САОР , частот вращения рециркуляционных систем , частоты вращения и угла установки лопаток рабочего колеса ВГП и .

Размещено на Allbest.ru